超声检测技术在建筑钢结构焊接中的应用研究

文建伟

1 研究现状

随着建筑行业的发展，建筑工程对钢结构的焊接质量提出了更高的要求。焊接质量评估和缺陷检测是提高焊接质量必不可少的措施。超声检测作为一项新兴技术，具有高效、准确和无损伤的优点，为焊接质量控制和缺陷检测提供有力支持，在钢结构质量控制中发挥着重要作用。

许多研究者深入研究了钢结构焊接中的质量评估和缺陷检测。周建国[1]分析了无损检测技术在钢结构桥梁焊缝检测中的应用，通过实际案例证明了超声检测技术在工程实践中的价值。翁真真等[2]探讨了钢结构桥梁中常见的焊接缺陷，强调了缺陷检测的重要性。在具体技术应用方面，徐万宝等[3]研究了相控阵超声检测技术在钢结构建筑工程中的应用，为该技术在工程领域的推广提供了理论支持。李海娥等[4]分析了无损检测技术在钢结构焊接接头质检中的应用，为实际生产中的质量控制提供了思路。此外，项柳福[5]基于超声理论检测桥梁焊接残余应力，进一步拓展了超声检测技术在不同领域的应用。

2 超声检测内容

2.1 焊缝完整性和质量评估

超声检测是一种无损检测技术，通过将超声波引入被测焊缝，探测焊缝内部的缺陷，如气孔、夹杂物和裂纹等。其原理是当超声波遇到不同材料界面或缺陷时，部分能量被反射，并被传感器捕获和分析。检测人员能够根据反射信号的时间、幅度和形状，确定缺陷位置、大小和形状，以此为依据评估焊缝质量[6]。

2.2 焊缝内部结构评估

焊接材料的内部结构直接影响焊缝性能，因此在钢结构焊接质量检测中，焊缝内部结构评估是确保焊接质量和材料性能的重要环节。超声检测技术通过分析焊缝内部的声波传播特性，能够获取焊缝组织和结构的关键信息。超声波在材料中传播时，因材料密度、声速和结构变化等因素，会产生不同的声波反射信号。通过分析反射信号，该技术能够重建焊缝内部的结构图像，包括晶粒大小、相变和组织均匀性等。

焊缝内部结构评估在多种应用场景中均发挥着重要作用。首先，对于强度和耐腐蚀性能要求较高的焊接部位，通过该评估能够了解焊缝内部组织的均匀性和异常变化，有助于确保焊接材料在各种环境下都具有可靠性。其次，对于承受复杂荷载的结构，如桥梁和压力容器，评估焊缝内部结构可以发现潜在问题，从而有效预防结构失效和安全事故。最后，超声检测可以辅助优化焊接工艺。通过观察焊缝内部的结构变化，可以了解焊接过程中材料熔化和凝固情况，在此基础上优化焊接参数和工艺流程。

2.3 热影响区评估

焊接过程中，焊缝周围会产生热循环效益，导致热影响区域的材料性能发生改变。超声检测技术可以评估热影响区的材料性能，如硬度和韧性等，检验焊缝周围区域是否符合设计要求，避免该部位在焊接后因热影响而改变性能。

2.4 焊接工艺监控和优化

超声检测技术能够实时监测焊接过程，帮助操作人员及时识别和解决潜在问题，进而优化焊接工艺，提高焊缝的质量和一致性。在焊接过程中，即使微小的变化也可能导致焊缝质量下降或产生缺陷，因此准确控制焊接参数至关重要。超声检测系统可以将焊缝声波反射的检测时间控制在毫秒级别，有助于及时发现异常情况。如果焊缝存在异常，其声波反射特征会发生改变。超声检测系统捕捉到异常声波将会立即发出警报，通知操作人员调整焊接参数或采取其他纠正措施，避免焊接缺陷，确保焊缝的完整性。超声检测的实时监控功能不仅有助于减少焊接缺陷，还能提高焊缝质量和一致性，在制造业发挥着重要作用，特别是航空航天和汽车制造等对精度要求较高的领域。综上所述，超声检测作为一项先进技术，为优化焊接工艺提供关键支持。未来，超声检测有望在提高产品质量和降低成本方面发挥重要作用[7]。

3 超声检测在钢结构焊接中的作用

超声检测在钢结构焊接中有4 大作用，具体如下：

1）保证结构安全。钢结构焊接工艺在建筑、桥梁和工业设备等领域得到了广泛应用，但是焊接缺陷会严重影响结构的安全性。超声检测技术在避免焊接缺陷方面具有重要价值，它通过非破坏性的检测方法，检测结构内部的焊接缺陷，有助于提升焊接结构的整体安全性。该技术能够高精度地探测焊缝内部缺陷，如裂纹、气孔和夹杂物等，及时发现潜在问题，防止缺陷扩大导致结构失稳和安全事故。例如，如果桥梁焊缝中存在裂纹，则可能会造成严重的结构损坏，威胁人员和交通安全。此外，超声检测具有很高的准确性和精细度，能够探测出人眼难以察觉的微小缺陷，其高灵敏度等特点使超声检测成为预防潜在安全风险的有效手段。通过超声检测技术，能够全面检测焊缝，保证焊接质量，保障结构的安全性。在钢结构工程中，超声检测不仅可以进行质量控制，而且能够为工程的长期稳定运行提供有力支持。超声检测通过减少焊接缺陷，能够提高结构的可靠性和耐久性，有效避免在工程施工过程中因焊接问题导致的安全隐患。

2）证明焊接质量。超声检测在焊接过程中产生的数据和图像可以作为焊接质量和焊缝完整性的证明。在工程项目中，超声检测结果可以用于工程验收和审查，为焊缝质量提供数据和图像支持，证明焊缝已通过检测和评估。

3）节省成本。在焊接过程中进行超声检测，能够尽早发现焊接缺陷和潜在问题，有效减少后续修复工作，降低维修成本，避免工程进度延误。

4）保证合规性。钢结构焊接必须符合相关法规和标准的要求。超声检测作为一种无损检测技术，被广泛应用于焊缝质量检测，确保焊缝的合规性。因此，通过对焊缝进行超声检测，可以验证焊缝是否符合规范和标准要求，从而保证钢结构满足法规和质量标准[8]。

4 超声检测在钢结构焊接中的具体应用措施

4.1 探头选择与定位

在超声检测过程中，探头的选择与定位是确保焊接质量和评估准确性的重要环节。选择探头要考虑频率、角度和尺寸等关键参数。第1，探头频率应基于被测材料厚度和检测深度确定，高频探头通常适用于薄材料的表面检测，而低频探头则适用于较厚材料的深层缺陷探测；第2，探头角度取决于焊缝形状和可能存在的缺陷位置，0 ℃和45 ℃通常用于表面和近表面检测，而70 ℃以上则适用于深层缺陷探测；第3，探头尺寸的选择需要考虑焊缝尺寸，确保探头能够覆盖整个焊接区域，以便可以全面获取检测数据[9]。

探头定位同样至关重要。一方面为确保信号的传递和接收效果，探头必须与焊缝表面保持紧密接触。另一方面耦合剂能够使探头与材料之间建立良好的声耦合，减少信号在界面传递过程中的衰减和干扰。在检测过程中，需要根据焊缝形状和位置调整探头角度，确保超声波能够充分覆盖焊缝区域并有效传播。

在探头选择和定位完成后，需要根据材料声学特性、焊缝形状和预期缺陷类型设置检测参数，如超声波的频率、增益和脉冲宽度等。信号被采集后开始进行信号分析，通过分析反射信号的幅度、时间和形状等，确定是否存在缺陷以及缺陷的类型、位置和大小。

探头选择与定位的精确性将直接影响超声检测结果。此过程需要综合考虑材料特性、焊缝形状、探头参数和信号分析。合理选择和定位探头有利于获得清晰、准确的检测数据，为焊接质量评估奠定坚实基础。

4.2 超声传播路径设计

超声传播路径设计是保障检测精确性和可靠性的关键步骤。超声波在焊接材料中的传播路径设计，需要采取精密的措施，确保信号传播过程中的干扰和损失最小化，以此提高检测的精确性。

1）要充分考虑焊缝形状。焊缝形状会使超声波在传播过程中发生折射、反射和散射现象，影响信号传递和接收，因此要准确理解焊缝的平面、曲率和角度等特征，确定最佳传播路径，确保信号在整个焊缝区域充分传播，提高检测覆盖范围和准确性。

2）要考虑材料声速的影响。材料声速会直接影响超声波在焊接材料中的传播速度。因此，在路径设计时要根据被测材料声速调整传播路径的长度和角度，确保信号传播时间准确，避免信号时延或失真。

3）要充分考虑可能存在的障碍物和干扰物。夹杂物和气孔等干扰物会干扰信号，因此传播路径需要避开这些干扰物。可以调整探头的位置和角度，确保信号在传播过程中保持纯净和清晰。

综上所述，超声传播路径设计是一个多因素综合考虑的过程，要通过合理设计最大限度地减少信号干扰，确保信号在焊接材料中准确传播，以便提高超声检测的可靠性和准确性。

4.3 检测参数设置

在超声检测中，正确设置检测参数是保证检测结果的关键步骤，目的是优化信号质量，确保缺陷检测的准确性。检测参数主要包括超声波频率、幅度和增益等。频率的选择应与被检测材料厚度和预期缺陷深度相匹配，以保证信号能够深入关注区域并返回足够信息。

同时，适当的幅度和增益能够增强信号强度，避免信号在数据采集过程中受到杂散干扰。根据被检测材料的声学特性可以适度增加增益，但要避免增加过度以防止信号失真。不同类型的缺陷对超声信号的响应不同，因此应根据预期缺陷类型调整参数设置。例如：对于气孔等小型表面缺陷，应提高灵敏度和分辨率；对于较大的深层缺陷，应适当调整参数确保信号有效穿透并反射。

目前，现代超声检测设备通常配备自动化参数优化功能，可以根据被测材料特性和焊缝形状实时调整参数，帮助操作人员快速确定最佳参数，降低人为误差。

4.4 信号采集和分析

在超声检测过程中，信号的采集和分析是确保检测结果可靠性和准确性的关键。通过深入分析采集到的超声信号，检测是否存在缺陷，并确认缺陷类型、位置和大小。采集到的超声信号包含不同表面反射的回波信号，信号的幅度、时间及形状等为分析焊缝内部结构和缺陷提供了关键信息。通过比较不同信号的特征，确认是否存在缺陷以及缺陷性质。

现代超声检测设备通常配备先进的数据分析软件，为信号分析提供有力支持。数据分析软件能够自动执行信号处理、分析和缺陷识别命令，有效减少人工分析的复杂性和主观性。通过算法和模式识别技术，软件能够从复杂信号中提取有用信息，快速判断是否存在缺陷并定位缺陷位置。同时，可以通过波形分析确定焊缝内部的结构情况。例如，不同类型的缺陷，如气孔、夹杂物和裂纹等，会在超声波回波信号中呈现不同的波形模式。通过比较和识别波形模式，能够确定缺陷类型。此外，信号的时间-幅度图有助于确定缺陷深度和位置。对于较为复杂的检测情况，需要进行人工干预，即检测人员要根据过往经验和专业知识，进一步分析、确认和解读信号，从而提高检测结果的准确性[10]。

4.5 标记与记录

在超声检测中进行标记和记录，有助于保证检测结果的可追溯性和可靠性，为后续维修、质量控制和分析提供必要信息。当检测到焊缝中存在缺陷时，应在焊缝表面进行标记，确保及时处理问题。标记通常采用可擦除的涂料或标记剂，通过明显的符号或标记在焊缝表面精确地标注缺陷位置，便于缺陷修复定位。标记的精确性关系到后续维修和处理。若在焊接结构投入使用时仍然存在未处理的缺陷，则可能导致结构强度降低等严重问题。

此外，标记能够为质量追溯提供关键信息。在焊接工程中，要准确记录缺陷的位置和性质，便于后期追踪每个缺陷的来源和处理情况。在此过程中，要详细记录每个缺陷的信息，包括类型、大小、深度和位置。在分析和评估焊接质量时，这些信息能够帮助确定缺陷的严重性和影响。记录形式应包括文字描述、数字测量值和示意图，以便保证缺陷信息完整。

汇总所有检测结果生成检测报告，报告中应注明正常部分和质量缺陷。报告应包含检测方法、探头参数、缺陷标记位置、缺陷详细描述以及处理建议或行动计划，保证检测过程的透明性和可追溯性。

检测完成后应保存原始数据、检测报告和相关文件，并妥善存档管理，便于后续查阅。原始数据应包括检测到的超声信号、图像和任何其他采集信息。保留原始数据能够验证检测结果的准确性，便于后续审查和分析。

5 结语

超声检测是一项非破坏性检测技术，在钢结构焊接领域发挥着重要作用。该技术通过评估焊缝完整性和质量、评估焊缝内部结构、评估热影响区以及监控和优化焊接工艺，为控制焊接质量和改进焊接工艺提供支持。具体总结为如下3 点：首先超声检测能够在焊接过程中尽早发现和识别潜在缺陷，及时进行缺陷修复。其次通过分析缺陷类型和成因，改进焊接工艺，减少缺陷产生。最后通过数据分析和记录，将超声检测结果作为质量管理的依据，优化焊接工艺。另外，为进一步提高质量控制水平，应该开展定期培训，用以提高操作人员的技能水平，确保他们更好地理解和应用该技术。